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       许炳勋 周扬 徐建理 甄文安 成泽琨 张芳

       棕刚玉是一种人造工业原料，广泛应用于耐火材料工业、各种材质的固结磨具、涂附磨具和研磨膏等，是国家现代化建设中它又是一个不可缺少的工业原料。棕刚玉产业在我国起步较晚，是1951年由当时的沈阳苏家屯砂轮厂研制成功，至今已经走过60多年的里程。半个世纪以来，我国的棕刚玉产业从无到有，从小到大。
       在上世纪80年代之前，我国只有中国第一砂轮厂、第二砂轮厂、第三砂轮厂、第四砂轮厂、第七砂轮厂等几家大的国营企业生产棕刚玉，当时的产量也不过十几万吨。自从我国改革开放以来，棕刚玉生产像雨后春笋般蓬勃发展起来，到目前为止，全国的棕刚玉生产能力已经突破300万吨，成为世界棕刚玉生产第一大国。但是棕刚玉的生产是非常消耗能源的，当今，节能减排不仅是国家政策所趋，也是降低成本、提倡低碳经济所需，所以现在笔者就棕刚玉节能措施的研究展开论述。

       降低冶炼成本

       棕刚玉倾倒炉在生产过程中大量消耗电能，是名副其实的“电老虎”。在如何降低耗电量方面，我们经过不断实践，主要从以下三方面进行改进：
       铝矾土是生产棕刚玉的主要原材料，但它也是铝工业、耐火材料工业和石油工业的主要原材料。随着国家工业化进程的不断提速以及铝工业、耐火材料工业、石油工业的飞速发展，高品位的铝矾土矿已踪迹难觅，棕刚玉生产对铝矾土矿的要求与铝工业、耐火材料工业不同，后者要求铝矾土矿的品位较低。
       我国的棕刚玉生产起初都是用固定炉进行生产的，上世纪70年代出现了倾倒炉生产工艺，目前我国棕刚玉生产使用固定炉和倾倒炉的比例大约为3∶4。不论是固定炉也好或是倾倒炉生产也罢，其生产工艺基本相似，都是以铝矾土为主要原材料，再配以其它辅助材料在矿热炉中经高温熔化，经一系列的物理化学反应而制得的，是一种能耗比较高的产品，其能耗费用占生产成本的2/5~1/2，因此铝矾土品质的好坏决定了能耗的高低。上世纪80年代之前，生产棕刚玉所用的铝矾土其Al2O3含量均为80%左右，铝硅比为20∶1。用这种高品铝矾土生产棕刚玉时，固定炉的单位耗电为2600千瓦时左右，倾倒炉单位耗电为2500千瓦时左右。
       目前在我国境内Al2O3含量达到85%的铝矾土矿奇缺，或者说已经枯竭。现在生产棕刚玉所用的铝矾土其Al2O3的含量多在70%~80%之间,SiO2含量在5%~15%之间。铝矾土中SiO2含量的高低对单位耗电的影响显著，有资料表明，SiO2在铝矾土中的含量每增加2%时其单位耗电可增加8%~16%。因此，目前各棕刚玉生产企业单位耗电都居高不下，固定炉单位耗电达到2800千瓦时左右，倾倒炉单位耗电达到2700千瓦时左右，有些甚至更高，加之电力和原材料价格不断上涨，使生产成本长期在高位运行，企业生产成本压力很大，同时也给节能减排带来了巨大的困难。
       目前，生产棕刚玉所用铝矾土的Al2O3含量为70%~75%的矿居多，用这样的铝矾土矿去冶炼棕刚玉时单位耗电已在3000千瓦时以上，按当前的电价计算，能耗费用要占生产成本的2/5以上，生产企业已基本上无利可图。由于诸多基础工业及刚玉制造业的快速发展，铝矾土需求量迅猛增长。由于铝矾土资源的匮乏，再加上有的矾土供应商和中间环节的不规范行为，棕刚玉冶炼所用的熟铝矾土数量难以得到保证，而且质量严重下滑，棕刚玉冶炼成本更是节节攀升。因此严格控制原材料入厂标准，不仅是降低生产能耗的要求，更是企业生存的需要。

       改进冶炼设备

       缩短短网的长度。缩短短网的具体措施有以下几个：电炉变压器要在满足安全距离和操作间距的情况下尽量靠近炉体，在变压器下加支持底座，使各段短网处于同一水平面上，变压器低压出线的中部位置与短网的水平面的高度相等，这样就省略了从变压器出线至短网水平面这一段。
       减少接触电阻。为了减少短网电阻，短网各部分连接方式应尽量采用焊接，或减少接头或增大接触面积，并有足够的接触压力，以减少短网各部分的接触电阻。
       倾倒炉短网的接头较多，而通过短网的电流很大。连接不良，就会使接触电阻增大，不但会增大短网的功率损耗，还可能烧毁接头。因此应尽量减少接头，对不拆卸的接头应采用焊接的方法或增大接触面积，接触面应保持清洁平整，使之有足够的压力。
       此外，可采取的改进措施还包括降低短网温度、改进电极把持器、减少附加电阻、改进循环水冷却方式等等，方式众多，在此不一一赘述。

       改进冶炼工艺

       半个多世纪以来，棕刚玉生产仍沿用传统的工艺，从未改变。随着时代的变迁、矿产资源锐减、矿产品的质量不断下降、原材料和能源价格的不断提升，节能减排任务日趋繁重，棕刚玉生产已经四面楚歌，如果在技术上没有新的突破，可以预测十年之后生产棕刚玉的单位能耗及生产成本均会出现惊人的大幅上升，一部分棕刚玉生产企业也会因此而被迫关停。按照目前市场价格为不变价进行测算，届时棕刚玉的生产成本将稳定在4500元~5000元/吨，节能减排将成为不可逾越的难题。鉴于以上各种因素，未来的棕刚玉生产和发展必须在科学发展观的指导下尽快转变生产发展方式，走技术创新之路。
       棕刚玉的冶炼工艺过程分为起弧、熔炼、控制、精炼4个阶段。
       起弧是棕刚玉冶炼的前提，为使三相电极之间电流相同，要摆放起弧焦。起弧焦摆放时，先加少量矾土，平整炉底，电极稍离炉底。用铁屑与碳粒混合以一定形状铺设在炉池中心，三根电极下部多铺设起弧焦，使三相电极互相成通路。起弧焦摆放方法有3种：星形摆放法、实心三角形摆放法和空心三角形摆放法。经过实践对比选择星形摆放法，其优点是起弧焦用量少，炉内增碳少，起弧快，热量集中在炉池中心。
       摆放好起弧焦后进行送电起弧，落下三相电极至起弧焦上，看到弧光和听到电弧声时，说明已经起弧。待电流升至正常负荷的20%～50%时，在电极外侧和弧光区加少量炉料压住弧光。待电流上升到80%负荷时，正常加料，进入熔炼阶段。
       熔炼占全部冶炼时间的80%以上，能有效把握棕刚玉冶炼的熔炼阶段是十分重要。在熔炼阶段，要使炉料熔化成液态，使杂质还原，生成铁合金并与刚玉溶液分离。在熔炼过程中，要不断地用沾棍对熔液质量检查做出必要的炉前调整，还要防止各种“反常现象”的发生。根据熔炼程度料层会缓慢下落，保证炉内熔液充足在熔炼过程中要进行投料，投料以加满电炉使熔炼期终了为主要目标。新工艺改进主要是更进一步掌控熔炼阶段这一重要环节，熔炼阶段是关系着冶炼生产安全、能源消耗、冶炼单位时间利用、烟尘排放和工人劳动强度的重要环节。
       所谓控制就是在一定时期内，停止加料，让炉内的料尽量熔融和还原，并使熔化面积向外扩大。炉况控制得好，溶液缓慢上升，整个料面就均匀下沉，料下得多，熔化得快。在控制期内，应尽量把热量用到扩大熔化面积上，待结束后在投入炉边预热料继续熔炼。在控制期内，如果炉料并未完全熔融，应避免溶液温度降低让炉料缓慢进入熔液，这样就会造成弧光暴露在外，炉内热损失大，电能损耗过大。
       精炼的目的是把杂质充分还原，使铁合金较好地沉淀聚集，炉内气体畅通排出，同时进一步提高熔液温度和扩大熔化面积。电炉转入精炼时要停止加料，采用低电压，使投入的炉料尽量熔化。精炼充分的特征是：炉内料层很薄，电极周围的炉料和熔液紧紧相贴，液面十分稳定；三相电极电流表指针稳定。电极根逸出气体不多，电弧声一致不间断。精炼期如果控制不好会过分地增加电能的消耗。精炼的好坏直接影响刚玉的质量和产量。
       在长期的实践过程中，我们对冶炼工艺不断进行改进，摸索出一套适合生产现状的冶炼新方法。倾倒炉冶炼新工艺结合了自身条件，在冶炼过程中可以调整碳量的配比，弥补了因化验误差、配方不准导致炉况不稳定的缺陷；增加补料次数，将暴露在外的弧光掩埋，提高对电弧热能的利用水平；降低料面高度，增大炉壳上部到水冷盖下部的空间，增加炉内空间，保证烟尘可以被很好地捕集，减少烟尘的排放；采用薄料面运行，使还原反应产生的气体均匀排出，降低炉内气体压力，避免喷炉现象的发生。
       通过比较敞弧法和埋弧法的优缺点，结合我们生产中的实际运用，棕刚玉冶炼新工艺采用半敞半埋的方式。新工艺可以控制原料的投入量，降低了料面高度，跟传统倾倒炉冶炼工艺相比料面高度降低40厘米，增加了炉内空间；降低了烟尘在炉内的密度，有效地对排放出来的烟尘进行处理，使得烟尘不外逸在操作区内。相比传统的倾倒炉冶炼工艺，其环保效果更加明显，让工人避免接触到排放出的烟尘，更能保障工人的健康。
       从实际生产数据可以看出，倾倒炉冶炼工艺能有效地提高产量、降低电耗，保证经济效益的稳步增长。
       节能关乎企业的生存和发展，通过不断改革创新，增强企业的竞争力、生命力，创造良好的经济效益和社会效益是企业所应追求的。
       随着近年来中国经济快速发展，棕刚玉行业技术创新力度不断加大，未来其有望成为中国磨料磨具大类中占比最大的产品种类。同时，棕刚玉在研磨工业链后期的独特优势，也极大地推动了棕刚玉在抛光中的应用。只有不断地技术创新，走节能减排的道路，才是棕刚玉行业今后发展的必经之路。
       （此文刊登于《中国冶金报》2015年3月3日12版）